第6章,6.1集成电路

第6.1节 电流源
性能 改善
第8章 功率放大电路 第7章 反馈技术、方法
第9、10章 运算放 大器应用 各种功 能电路
第6章 集成运算放大器
什么是集成运算放大器？
集成运算放大器——高增益的直接耦合的集成 的多级放大器。 集成电路的工艺特点：
（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现 需要对称结构的电路。 （2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦 以下。 （3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。 （4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用 直接耦合方式。如需大电容，只有外接。 （5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。
集成电路中，DT1
6.1 集成电路运算放大器中的电流源
+VCC R IC1 T1 Re1
4. 镜像电流源
RL IO IC2 R T2 Re2
IC1 T1 +VCC IREF
I1
思路：
RL IC2 T2
2IB
比例系数＝1,IC2 ≈ I1
去掉2个电阻，减少占用硅片面积 求 IC2 = ?
比例电流源
AV =
例：
电流源作有源负载后 Vo ( rce1 // rce2 // RL )
AV = Vi rbe
Vi

rbe
比用电阻Rc作负载时提高了 共射放大
6.2 差分式放大电路
6.2.0 概述
直接耦合放大电路的零点漂移问题
差分的基本概念
6.2.1 基本差分式放大电路
I C1
1
RL
IC 2
VCC - VBE I C1 I R R
镜像
优点：只要T1和T2的构造相同，IC1≈IR，结构简单; 缺点：输出电流太大，且受电源电压、RO和VBE的影响。
6.1 集成电路运算放大器中的电流源
5. 电流源用作有源负载
电流源的作用：
(1) 用于提供静态电流并能稳定静态工作点，这对直接耦 合放大器是十分重要的。 (2) 用作有源负载，可获得增益高的特性。 共射电路的电压增益为： Vo ( rce1 // Rc // RL )
vid vi1 = 2 v vi2 = id 2
v i1 = v ic
v i2 = v ic
分析思路：叠加定理
6.2.1 基本差分式放大电路
• 电路组成及工作原理 • 主要指标分析计算
– 组成特点 – 静态分析 – 动态分析（定性）
• 输入差模信号 • 输入共模信号
– 动态分析思路 – 双端输入
AV
零点漂移问题
v o 104 v i
# 集成运算放大器要采用直接耦合？
零漂：输入短路时，输出 仍有缓慢变化的电压产生。
主要原因： 温度变化引起，也称温漂。 温漂指标： 温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益 折算到输入端的等效输入漂移电压值。
直耦放大电路的特殊问题——零点漂移
零漂现象：
Rc Rc ii C2 C2
RbRb
TT1 1 iE1E1 i iE E i Re e R
1vi1
++ --
iiE2 E2
vo = vo1 vo2 = Av1vi1 Av2vi2 AV1 = AV2 （对管）
+ -
vi2 i2
--VEE VEE
+VCC Rc1 iC1 vo1 T1 Re1 vo2 T2 Re2 +VCC Rc2 iC2
I C I1 Rb2 Re
wenku.baidu.com
+VCC RL IO IC T Re
I1 I1
Rc
RL IC IO IC2 T2
Rb1 I1
D Rb2
Re
IE Re2
BJT基本电流源 满足条件： I1 >>IB VB >>VBE
VB VBE VB IC Re Re
特殊状态
比例电流源
V VBE VCC 而： I 1 CC ＝ Rb1 Rb2 Rb1 Rb2
设计差分放大电路的目的：减小零漂
• 将有用信号进行有效放大到所需程度； • 将不需要但又不可避免的热漂移、杂散
耦合等噪声信号，抑制到最低程度。
减小零漂的措施:采用差分式放大电路
6.2.0 概述 1. 差分的基本概念
差分功能：实现2个信号相减
vo = AV (v i1 v i2 ) AV v i1 AV v i2
假设T1处于放大区 （温度补偿） 对管T1与T2特性相同
VBE2 = VBE1； 2＝ 1 I B2 = I B1；I C2 = I C1
4. 镜象电流源
I C1 I R - ( I B1 I B 2 ) I R - 2
β1 I C1 = • IR β1 + 2
所以当1 2时有: IC1 ≈ R I
6.1 集成电路运算放大器中的电流源
恒流源：Rs = ， iO = Is ，与RL无关 三极管工作在放大区，其输出特性 具有恒流特性。
iC VCC Rc ICQ Q
1. 概述
特点：易受温度影响
直流电阻小 交流电阻大
iC
IBQ
分析任务
vCE
VCE RCE = IC vCE rce = iC
vi1 -
+
vid + vi2 -
+ 差分 放大
+ vo -
差模信号输出 共模信号输出
例：vi1 5V 19mV/ C
vi2 5V 19mV/ C
vo = vo d voc AVD vid AVC vic
v vi1 = vic id 2
v i2 = v ic v id 2
(2)两边对称 原因之二 对称 VC1 = VC2
vo = VC1 - VC2 = 0 克服温漂 (3)公共射极电阻Re 单端输出 公共Re对差模信号相当于短路
Rb1 vi1
Rb2
+ -
+ -
vi2
-VEE
-VEE
2.差动放大电路的基本工作原理
ro
6.1 集成电路运算放大器中的电流源
+VCC
Rc i1 b iB e vo RL VCC
2. BJT基本电流源
RL ——分压式射极偏置电路
在满足条件 I1 >>IB ；VB >>VBE 时
Rb2 VB VCC Rb1 Rb2
RRb1 b1
Cb1 + V
Rc Cb2
+ iC
c
IC
+
+ vi –
电路组成及工作原理 抑制零点漂移原理
主要指标分析计算

几种方式指标比较
6.2.2 FET差分式放大电路
6.2.3 差分式放大电路的传输特性
6.2.0 概述
电源电压波动也是原因之一 1. 直接耦合放大电路的零点漂移问题
直接耦合放大电路
没有电容、变压器 可以放大直流信号 vi 0 vo 6V vi 0.1mV vo 7V
同相输入端 反相输入端 +
+ Vi – 放大电路 + Vo = –
AV v i
+
+ vi2 -
应用背景：电桥测量
R+R V 10V
R- R
vi1
-
-
差分 放大
+
vo
-
R-R
R+R
R R V V vi1 V R 5V 19mV/ C 2R 2 2R R R V V vi2 V R 5V 19mV/ C 2R 2 2R
集成放大器的符号和外形
运算放大器外形图
(a) (b) (a) 国家标准符号 (b)原符号
反相输入端 v－ 同相输入端 v+
－ ∞ ＋ ＋
输出端 vo
6.3 集成运算放大器
一. 集成运放的总体结构
二. 简单的集成运放
为减小IB， 提高输入电阻，T1、T2采用复合三极管 +UCC RC T1 ui1 uo T2 E ui2 RC R1 IB IC1
- V EE
漂移 1V
3. 减小零漂的措施
第一级是关键
用非线性元件进行温度补偿
采用差动放大电路
电压增益 增加了Re
输入端漂移电 压为 0.2 mV(温 漂) vi 输入端漂移电 压为 0.002 mV
103 A1 105
vi
vo
输出漂移电压 均为 200 mV
A2
vo
两个放大电路是否都可以放大0.1mV(真正要放大的)信号？ 答： A1不可以(放大后,假信号比真信号大的多)， A2可以
Ri2
AVO1Vi1 Vo1 Vi2
+ 放大电路 –
+ +
Ri3
AVO2Vi2 Vo2 Vi3
+ 放大电路 –
+ Vo –
RL
AVO3Vi3 Vo3
–
–
–
–
输入级—Ri 共集、共射
Ri
中间放大级—AV 共射、共基
输出级—Ro 共集
RL特别小
2个信号 直接耦合 零漂 相减
第5章 场效应管
第6.2节 差分放大电路
• • • • 差模增益 共模增益 共模抑制比 输入、输出电阻
• 抑制零点漂移原理
– 单端输入
• 带恒流源的差分电路 • 几种接法性能对比
6.2.1 基本差分式放大电路
电路形式 基本形式 长尾式 恒流源式
抑制零漂
+VCC
Rc iC1 vo1 T1 Rb vi1
+ vo RL vo2 T2
Rc iC2
第六章 模拟集成电路（运放）
6.1 集成运算放大器中的单元电路(恒流源） 6.2 差动放大电路 6.3 集成运放简介 6.4 集成运算放大器中的主要参数 6.5 特殊集成运算放大器
多级放大电路
Rs
Ii + Vi –
+ Vi1 Ri1 –
Ro1
Ro2
Ro3
Io
+ –
+ Vs –
+ 放大电路 –
+ +
Rb1 + ui
—
- VEE
零漂的衡量方法： 将输出漂移电压按电压增益折算到输 入端计算。
例如
假设
Au1 = 100, Au2 = 100 Au = 10000
+ vi
R b1
R c1 T1 Re1
R e2
+ V CC + vo
若输出有1 V的漂移 电压 。
T2
¡ ª 则等效输入有100 uV 的漂移电压 等效 100 uV
B
b2 Rb2
R
i2 R e
Re
iE
IE –
Rb2 VCC VB VBE VB IC IE Re Rb1 Rb2 Re Re
Ib rbe
Io +
与Rc无关，且能稳定Q（温度影响） 电流源内阻 Rs = R’o（输出电阻） Re ' Ro rce ( 1 ) rbe Rb Re
vCE VCEQ
VCC
确定电流源的输出电流， 并提高计算精度 提高输出电阻Ro
2. BJT基本电流源
当VCC，Rb1，Rb2，Re确定 后，VB一定，RL在一定范围 内变化，IC基本不变—恒流。 VCC RL
IC
Rb1
电流源在静态时为电路 提供偏置电流，动态时作为 电路的有源负载。 Rb2 Re
Ib rce
Re
Vo –
Rb1
Rb2
Rb
R’o
6.1 集成电路运算放大器中的电流源
+VCC R Rb1 IC1 VB T1 Rb2 Re1
+VCC
3. 比例电流源
思路： 提高计算精度
增加1个二极管D
并使D与T（Je）具有相同 的温度特性（补偿） 即： VD = VBE 所以，在Je回路有： VD +I1 Rb2 = VBE +IC Re
例如铂电阻测温
RT = R0 (1 aT) 100 T 0.385 / C R R
实际输出为vo AV (vi1 vi2 )
差模与共模： 差模信号 vid = vi1 vi2 1 共模信号 vic = (vi1 vi2 ) 2
总输出电压
6.2.0 概述 2. 差分的基本概念 +
IC
IC2
1
IB2
2
IE

T3
R3 -UEE T4 R2
6.1 集成运放中的电流源
电流源用途：提供稳定的偏置电流； 作为放大电路的有源负载。 电流源种类：镜像电流源； 微电流源； 作有源负载用的电流源。
6.1 集成电路运算放大器中的 电流源
概述 学习要求 BJT基本电流源 能辨认电路（电流源 结构的变化规律） 比例电流源 会计算电流源的输出 镜像电流源 电流（求Q） 微电流源 多路电流源 电流源用作有源负载
输入vi=0时，，输出有缓慢变 化的电压产生。
0
uo
t
Rc1 T1 Re1 Re2 T2 + VCC + uo
产生零漂的原因：
由温度变化引起的 。当温度 变化使第一级放大器的静态 工作点发生微小变化时，这 种变化量会被后面的电路逐 级放大，最终在输出端产生 较大的电压漂移 。因而零点 漂移也叫温漂。
+ -
iE1 iE Re
iE2
Rb
+ -
vi2
-VEE
6.2.1 基本差分式放大电路
+VCC +VCC RR c c iC1 i
C1
1. 电路组成及工作原理
组成特点
(1)直接耦合的共射电路(Rb ,Rs) vo = Avd(vi1 vi2)
Rb Rb
++ vv -o o
vo1o1 v RRL L vvo2 o2 T22 T